應用于網絡教學的老年護理動畫仿真

雷敏蕊 齊琦

摘要：我國老年護理服務普及教育發展滯后。對于此方向的虛擬數字化設計方法體系在國內較少有相關的理論研究，虛擬仿真技術的出現為傳統護理培訓模式帶來了新的血液，同時新的動畫技術也為老年護理培訓帶來了一場前所未有的變革。本文探討了用于網絡培訓的動畫仿真養老護理道具設計與開發，在模型表現方式上引入游戲美術行業的較為成熟的PBR模型流程的創新融合手法，實現其視覺需求。

關鍵詞：動畫仿真;老年護理;道具設計

虛擬仿真技術近年來多應用于醫療相關領域，在護理領域方面也有所涉獵，國內外均取得了一定成果。由于養老護理領域有其專業性與特殊性，挖掘動畫仿真在該領域的應用，目前還處在起步階段，值得開發并形成經驗理論。老年護理道具主要是幫助患者開展被動活動或協助患者進行主動運動及日常活動，提升老年人生存質量的工具，是完成老年護理教學不可或缺的重要組成部分。項目參與者采用市場調查、設計實踐、案例分析及跨學科合作等研究手段來進行養老護理仿真道具設計。本研究主要以老年護理仿真道具設計為例，研究基于3ds Max，老年護理道具模型在虛擬護理環境中的科學表達。

為了還原護理道具的真實性及客觀性，項目參與者前往醫院進行了實地考察，結合醫院提供的大量圖片及視頻等資料，對護理道具的形體結構有了大致認識。

同時，在模型貼圖制作的過程中，盡可能地呈現出模型的真實感。如在助行器的制作上，手握部分采用不易脫手的防滑材質貼圖，腳部底座采用橡膠材質貼圖，以及助行架采用鋁合金材質貼圖。

護理道具的設計相較于常規道具來說，對專業性與科學性提出了更加嚴謹的要求，護理道具的設計結合了大量對人體的研究分析，用科學的數據來確定人在具體環境中的舒適狀況和安全限度。在動畫仿真道具制作過程中，則嚴格按照護理醫學規范道具的比例及尺寸來進行模型制作。

根據動畫需求，以偏癱病人為例，在拐杖的選擇上，一般來說，應當考慮到患者的平衡能力以及使用安全，因此，項目參與者選擇了幫助患者增加穩定性，減少下肢承重的腋拐，腋拐的長度為患者身長減去41CM。患者站立時，腋拐手握部分應平行于患者股骨大轉子，腋拐高度約在腋窩下3橫指處，腋拐腳部底座應在小趾前外側15CM處，減少患者在行走過程中肩膀和背部產生的壓力，滿足仿真動畫角色與道具之間運動的合理性。

通過虛擬仿真技術來實現對護理道具的寫實還原，能夠有效地降低護理道具在臨床實踐教學使用過程中的損壞和消耗等問題，進而節約在制作護理道具上耗費的成本與時間。

模型制作基于三維軟件，在創建模型的過程中，為了使后期進入引擎后三維演示動畫正常流暢的運作，在充分保證模型剪影形態的情況下需統籌精簡模型的面數。根據醫院提供的圖片、視頻等資料，結合實地考察收集的數據和相關信息，整體把握護理道具的結構和輪廓，細部結構通過貼圖對其進行完善。

在模型制作的過程中，應當注重布線。引擎只能識別三角面或四邊面，并且引擎難以識別長條形的三角面，因此應當盡量保證布線合理規范，且盡量避免面的拉伸。

3ds Max計算模型默認是以原點為基準。將模型坐標軸歸零有助于減少軟件運行內存，且在引擎中若坐標軸未歸零，三維演示動畫可能會出現錯誤。

動畫仿真道具種類多且數量大，為了便于文件整理、后期修改以及任務交接，提升團隊合作效率，應當通過科學的規范命名來進行管理，建立有序的仿真模型庫。

PBR流程是近年來游戲行業領域寫實表現最為優秀的技術，然而醫療護理具有其特殊性和專業性，因此在引入PBR流程中，將護理訴求與之有機融合，是該課題研究的關鍵之處。

護理道具主要分為兩個板塊，一方面是輔助患者進行日常活動的工具，例如勺子、碗、筷子、病床桌，另一方面是促進患者逐步恢復正常運動功能的工具，例如助行器、糾正器、拐杖。

以助行架為例，助行架的穩定性與助行架本身與地面的接觸面積成正比，與助行架本身重量成正比，與地面左右下肢與助行器支點間的面積成正比。為了保證助行架的穩定性及患者的使用安全，通過ZBrush創建高模時，嚴格按照醫院提供的科學數據以及圖片影像資料來進行模型的制作，確保建模的真實性。助行架手握部分則采用防滑材質外包，通過ZBrush創建高模時，利用噪波工具生成表面細小的凹痕。

為了節省運行內存，進行低模拓撲。將制作完成的助行架高模導入3ds Max中，借助3ds Max測量工具，結合縮放工具將助行器高模修改為正確的比例，一般來說，助行架的高度需調整至平齊與患者股骨大轉子。將助行架高模轉換為可編輯多邊形，拖拽復制出一個面片，彈出對話框選擇克隆到對象。選中拖拽復制出的面，進入石墨工具的自由形式，選擇繪制于曲面，拾取助行架高模進行步驟構建，拓撲出剪影關系與助行架高模匹配的低模模型。為了避免面的浪費，將三角形面數控制在300面以內。

使用3ds Max與Headus UVLayout展開低模。由于3ds Max自動計算拆分UV難以得到理想的效果，因此，選擇Headus UVLayout進行配合可以更有效直觀地拆分UV。打開Headus UVLayout導入OBJ格式的助行架低模模型文件，在三維窗口里斷開UV，由于UV斷線造成的貼圖接縫是難以修補的，因此斷線一般選擇在觀察角度看不見的位置，完成操作后切換到二維視窗對UV進行自動展開和擺放，進入3ds Max對UV進行適當調整，留出溢出間距。根據貼圖需求，調整UV大小控制貼圖精度，一般來說，同一個場景的模型貼圖精度的差距在2倍以內。在3ds Max中，選中所有道具模型賦予同一個材質球。

通過拾取助行架高模的細節制作貼圖，對低模模型缺少的細部結構進行精細刻畫和還原。在3ds Max中選擇低模模型以FBX格式進行導出，助行架模型加載進Substance Painter，法線貼圖格式選擇DirectX，在工具欄打開環境設置，調整其參數。為了便于更直觀地觀察，將場景中的光線調整為所需光線，取消勾選投影選項。打開紋理設置，紋理級勾選為將低模作為高模進行烘焙，烘焙得到ID貼圖、法線貼圖、位置貼圖，世界空間法線貼圖，AO貼圖，曲率貼圖，厚度貼圖。助行架的手握部分采用防滑材質，腳部底座采用橡膠材質，以及架身采用鋁合金材料，在制作材質的時候，基于Substance Painter中默認的材質進行調節。為了使貼圖呈現更加真實，應用Generators創建污垢、灰塵材質。為了提高運算效率，將五張貼圖通過圖像處理減少為兩張貼圖。最后，進入3ds Max測試貼圖的展示效果。

在龐大的老年護理教育視域下，虛擬護理道具設計僅僅是演示仿真視覺體系中小小的一環。未來以此作為切入和嘗試，研究開發出更多系統化的適用于護理教學領域的設備仿真模型，結合網絡進行遠程教育展示，脫離現實的設備限制，為養老服務專業知識的普及帶來極大便利。在后續的研究當中，本課題成員將創想出更完善的有利于老年護理教育發展的新手段，進一步探索藝術設計專業服務社會的深度與廣度。

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大學生創新訓練計劃項目階段性成果，項目編號：S201910621001。